JPH11233859A - レーザー光発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安定性かつ信頼性の高いレーザー光発生装置
を提供すること。 【解決手段】 半導体レーザーからなる励起光源４及び
５と、レーザー光２０を発生するレーザー媒質２とを有
するレーザー光発生装置において、励起光源４とレーザ
ー媒質２とを同一の基体１上に配置し、かつ、励起光源
４及び５とレーザー媒質２とを熱的に分離状態とする。
または、励起光源４及び５と、ウエッジ型導波路９及び
１０と、レーザー光２０を発生するレーザー媒質２とを
有するレーザー光発生装置において、励起光源２とウエ
ッジ型導波路９及び１０とレーザー媒質２とを同一の基
体上に配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、励起光を出射する
励起光源と、この励起光によって励起され、レーザー光
を発生するレーザー媒質とを有するレーザー光発生装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザー光は、単色性、干渉性、指向
性、集束性、高出力性、高輝度性等の特徴を有してお
り、光通信等の通信分野への応用、光ディスクの信号読
み取りやディスプレイ等の画像エレクトロニクス分野へ
の応用、計測・制御装置への応用、半導体露光等の加工
装置への応用など、様々な応用用途が見出されており、
その関連技術の研究、開発が盛んに行われている。

【０００３】いわゆるレーザーは、励起源（電流や励起
光）と、レーザー媒質と、共振器とから構成されてい
る。このうち、半導体レーザーを除いた固体レーザー、
気体レーザー、色素レーザー等では、半導体レーザー、
発光ダイオード、ランプ等の発光素子が励起源として主
に用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような発光素子か
らなる励起源（以下、励起光源とする。）においては、
電流から光への変換効率が１００％ではなく、光として
出射されなかったエネルギーが熱に変換される。従っ
て、この熱を逃がすために排熱操作が必要となる。特
に、高出力レーザー光を発振するレーザー光発生装置に
おいては、排熱状態の僅かな変動がレーザー媒質の温度
変化に大きな影響を及ぼしている。

【０００５】即ち、レーザー媒質が励起光源の温度変化
による影響を受けると、発振出力や発振周波数（波長）
が変動し易くなる傾向にあり、これは、高強度のレーザ
ー光を発生する高出力レーザー光発生装置において特に
顕著である。

【０００６】例えば、高強度のレーザー光を発生する高
出力レーザー光発生装置として、スラブレーザーからな
るマルチレーザーダイオードからの励起光によって、Ｎ
ｄ：ＹＡＧレーザーをジグザグ励起させ、かつ、前記レ
ーザーダイオードからの励起光を無駄にしないように高
反射ミラーが配されたレーザー光発生装置が提案されて
いる（米国特許４８３７７７１号参照）。しかしなが
ら、この装置では、レーザー媒質において熱の不均一な
分布が発生し、収差等に対する影響が大きくなるものと
推定される。

【０００７】また、高強度のレーザー光を発生する他の
高出力レーザー光発生装置として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
ーロッドの周囲に４つのダイオードレーザーアレイを配
し、これらのレーザーダイオードアレイからの励起光を
光学薄板によってＮｄ：ＹＡＧレーザーロッドに導き、
高強度のレーザー光を発振せしめるレーザー光発生装置
が提案されている（Shuichi Fujikawa, Tetsuo Kojima,
and Koji Yasui "High-power high-efficient diode-s
ide-pumped Nd:YAG laser", Optical Societyof Americ
a, 1997, p296-p299 参照）。しかしながら、この装置
は加工用として開発されたもので、加工用レーザーとし
ての性能は満たしているものの、励起光源としてのレー
ザーダイオードアレイとレーザー媒質としてのＮｄ：Ｙ
ＡＧレーザーロッドとが近接しており、レーザーダイオ
ードアレイにおける発熱がＮｄ：ＹＡＧレーザーロッド
に影響を与えるために、発振周波数や発振強度が変動し
易く、他の用途での高い信頼性を得るには至っていない
ものと推測される。

【０００８】一方、励起光源の寿命は有限であるので、
レーザー媒質や共振器の寿命がこれに比べて長い場合と
きは、励起光源の交換が有利であるが、レーザー媒質と
励起光源とが一体化したレーザー光発生装置では、励起
光源のみの交換時の互換性に乏しいという問題がある。

【０００９】これに対して、励起光源としての半導体レ
ーザー部分と、レーザー媒質としての固体レーザー部分
とを別々の筐体に配し、光ファイバーを用いて励起光を
供給する方法が提案されている（米国特許４６６５５２
９号及び４７２３２５７号参照）。しかしながら、この
方法では、ユーザーが光ファイバーを接続する際に外乱
が混入したり、ファイバーが筐体外に出ていることによ
る振動、温度変化、移動の影響といった外的な影響によ
って伝送モードが変動し、ノイズが混入する等の問題が
あった。

【００１０】本発明は、上述した従来の実情に鑑みてな
されたものであり、その目的は、発振出力や発振波長の
安定性に優れ、信頼性の高いレーザー光発生装置を提供
することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、励起光
を出射する励起光源と、この励起光によって励起され、
レーザー光を発生するレーザー媒質とを有するレーザー
光発生装置において、前記励起光源と前記レーザー媒質
とが一体の基体上に配されており、かつ、前記励起光源
と前記レーザー媒質とが熱的に分離状態とされているこ
とを特徴とするレーザー光発生装置（以下、本発明の第
１のレーザー光発生装置と称する。）に係るものであ
る。

【００１２】本発明の第１のレーザー光発生装置によれ
ば、前記励起光源と前記レーザー媒質とが一体の基体上
に配されており、かつ、前記励起光源と前記レーザー媒
質とが熱的分離状態とされているので、振動や温度変化
等の外的な影響によるノイズの混入を防ぐことができる
と同時に、前記励起光源にて発生する熱の変動によるレ
ーザー光の発振出力や発振波長（周波数）への影響を最
小限に抑えることができ、従って、これらの安定性に優
れ、信頼性の高いレーザー光が得られる。

【００１３】なお、前記「一体の基体」とは、１つ（同
一）の基体又は共通の基体、更には別々の基体を一体化
した基体を含む意味である（以下、同様）。また、前記
「熱的分離状態」とは、前記励起光源と前記レーザー媒
質との間の主として基体を通しての熱的移動が実質的に
存在しないか、或いは、輻射、対流による僅かな熱交換
を除き、全く存在しないことを意味する（以下、同
様）。

【００１４】また、本発明は、励起光を出射する励起光
源と、前記励起光を導くウエッジ型導波路と、前記ウエ
ッジ型導波路で導かれた励起光によって励起され、レー
ザー光を発生するレーザー媒質とを有するレーザー光発
生装置において、前記励起光源と前記ウエッジ型導波路
と前記レーザー媒質とが一体の基体上に配されているこ
とを特徴とするレーザー光発生装置（以下、本発明の第
２のレーザー光発生装置と称する。）を提供するもので
ある。

【００１５】本発明の第２のレーザー光発生装置によれ
ば、前記励起光源と前記ウエッジ（くさび：wedge ）型
導波路と前記レーザー媒質とが一体の基体上に配されて
いるので、振動、温度変化、移動等の外的な影響によっ
て伝送モードが変動し、ノイズが混入するのを最小限に
抑えることができ、発振出力や発振波長の安定性に優
れ、信頼性の高いレーザー光が得られる。

【００１６】

【発明の実施の形態】まず、本発明の第１のレーザー光
発生装置について説明する。

【００１７】本発明の第１のレーザー光発生装置におい
ては、前記熱的分離状態によって、前記励起光源及び前
記レーザー媒質がそれぞれ一定温度に保たれていること
が望ましく、具体的には、前記励起光源は水冷及び／又
は空冷（特に強制空冷）によって一定温度にともたれて
おり、前記レーザー媒質は電子冷却器（ペリチェ素子、
熱電対、サーミスタ等）によって一定温度に保たれてい
てよい。また、前記励起光源及び前記レーザー媒質に
は、その近傍に温度検出手段（例えば、熱電対やサーミ
スタ等）が設けられていてよい。

【００１８】また、前記基体中には、冷却水循環パイプ
等の冷却管が配されていることが望ましく、冷却管を配
することによって、前記励起光源と前記レーザー媒質と
を熱的分離状態とすることができる。

【００１９】また、前記励起光源と前記レーザー媒質と
が前記基体の同一面上に配されており、かつ、前記励起
光源と前記レーザー媒質との少なくとも一方と、前記基
体との間にヒートシンクが設けられていることが望まし
い。ヒートシンクを設けることによって、前記励起光源
と前記レーザー媒質とを熱的分離状態とすることができ
る。さらに、前記ヒートシンク中には冷却水循環用パイ
プ等の冷却管が配されていることが望ましい。

【００２０】また、前記励起光源と前記レーザー媒質と
は、前記基体の同一面上に配されており、かつ、前記励
起光源と前記レーザー媒質との少なくとも一方と、前記
基体との間に断熱材が設けられていることが望ましい。
この断熱材によって、前記励起光源と前記レーザー媒質
とを熱的な分離状態とすることもできる。

【００２１】また、前記励起光源と前記レーザー媒質と
の間には、前記励起光源から出射される前記励起光を前
記レーザー媒質に導くように、導波路が形成されている
ことが望ましい。

【００２２】前記導波路は、ガラス、石英、誘電体、高
分子等の光導波性の材料で形成されていてよく、その形
状は、平行平板型、ウエッジ型、円筒型又は楕円筒型で
あってよい。但し、特に、励起光の均一化やコリメーシ
ョン等の点から、前記導波路としてウエッジ型導波路を
使用することが望ましい。

【００２３】前記導波路としてウエッジ型導波路を使用
する場合、このウエッジ型導波路の形状は、ウエッジ角
（弧度）をｗ、励起光入射口の幅をａ、励起光出射口の
幅をｈ、長さをＬとすると、下記式１、式２及び式３が
成立するように、前記ｗ、前記ａ、前記ｈ及び前記Ｌが
設定されていることが望ましい。 ａ＜ｈ・・・式１ ２ｄ・ｔａｎ（２ｑ）≦ａ≦２ｄ・ｔａｎ（３ｑ）・・・式２ ａ＋ｗＬ≦Ｄ・・・式３ 〔但し、前記式１、前記式２及び前記式３において、ｄ
は、励起光源からウエッジ型導波路までの距離、ｑは、
励起光源から出射される励起光の発散角（半値半角）、
Ｄは、レーザー媒質の径である。〕

【００２４】つまり、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すよう
に、励起光源としての半導体レーザー２０のレーザー光
出射面とウエッジ型導波路２１の光入射面との距離を
ｄ、半導体レーザーから出射される励起光（レーザー
光）の発散角（特に、半導体レーザーの活性層を含む面
に垂直な面内における発散角）をｑ、ウエッジ型導波路
２１におけるウエッジ角（弧度）をｗ、励起光入射口の
幅をａ、励起光出射口の幅をｈ、長さをＬとすると、ま
ず、 ａ＜ｈ（即ちｗ＞０）・・・式１ として、半導体レーザーの活性層を含む面に垂直な面内
で、ウエッジ型導波路２１の幅が励起光に沿って広がっ
ていくような形状とすることが望ましい。

【００２５】一般に、半導体レーザーの活性層を含む面
内に垂直な面内での発散角は、通常、２０°〜４０°前
後、最大で６０°程度になり、これと垂直な面内（即
ち、半導体レーザーの活性層を含む面内）での発散角に
比べて大きい。

【００２６】これに対して、半導体レーザーの活性層を
含む面内では、励起光としてのレーザー光の発散角が比
較的小さいので（通常、１５°以下）、特にウエッジ型
に構成する必要はなく（もちろんウエッジ型に形成して
もよいが）、平行平板型であってもよい。

【００２７】次に、半導体レーザー２０からの出射され
る励起光が漏れず、かつ入射口が必要以上に広くならな
いよう、効率よく励起光を導くために、 ２ｄ・ｔａｎ（２ｑ）≦ａ≦２ｄ・ｔａｎ（３ｑ）・・・式２ とすることが望ましい。

【００２８】一般に、図３に示すように、半導体レーザ
ー（半導体レーザーアレイや半導体レーザースタック等
も含む）が放射するレーザー光の発散角（半値半角）を
ｑとすると、そのうち、活性層を含む面に垂直な方向の
放射角度±２ｑの中に含まれるパワー（光の相対強度）
は、ガウス型の光強度分布を前提として、全体の約９５
％とされている〔相対強度はおおよそ２の−（θ／ｑ）
² 乗で表される〕。従って、本発明に基づくウエッジ型
導波路における励起光入射口の幅ａの下限を、「２ｄ・
ｔａｎ（２ｑ）」とすることによって、半導体レーザー
から出射される励起光としてのレーザー光の強度全体の
少なくとも９５％を導けることになる。

【００２９】また、図３に示すように、活性層を含む面
に垂直な方向の放射角度±３ｑの中には、レーザー光の
強度全体のほぼ１００％が含まれる。従って、前記幅ａ
の上限を「２ｄ・ｔａｎ（３ｑ）」とすることによっ
て、半導体レーザーから出射されるレーザー光のほぼ強
度全体を前記ウエッジ型導波路によって導くと同時に、
外部からの余分な光の混入を防ぐことができる。

【００３０】さらに、前記ウエッジ型導波路から出射さ
れる励起光は強度分布が均一であり、かつコリメートさ
れた光であるので、レーザー媒質の径をＤとすると、励
起光出射口の幅ｈはＤ以下であることが望ましく、従っ
て、 ａ＋ｗＬ≦Ｄ・・・式３ とすると、ウエッジ型導波路によって導かれた励起光が
効率よくレーザー媒質に導かれることになる。

【００３１】具体的には、ｑ＝１５°、ｄ＝１ｍｍ、Ｌ
＝２０ｍｍ、Ｄ＝３ｍｍが決まっているものとすると、
前記式２より、 １．１５≦ａ≦２（ｍｍ） かつ、前記式３より、 ａ＋２０ｗ≦３（ｍｍ） が成り立つことが望ましいので、ａ＝１．５ｍｍとする
と、例えばｗ＝７５ｍｒａｄ（約４．５°）とすればよ
いことになる。

【００３２】このようなウエッジ型導波路で前記励起光
を導くことによって、励起光源から出射された励起光を
効率良くウエッジ型導波路に入射させることができ、さ
らに、ウエッジ型導波路内での空間的な多重折り返しに
よる励起光の均一化が達成できると同時に、レーザー媒
質に対して、（疑似）コリメーションによる効率良い供
給を実現できる。

【００３３】また、前記励起光源として、半導体レーザ
ー、半導体レーザーアレイ及び半導体レーザースタック
からなる群より選ばれる少なくとも１種の半導体レーザ
ーが用いられていることが望ましい。

【００３４】また、前記レーザー媒質として固体レーザ
ー媒質が用いられていることが望ましい。例えば、この
固体レーザーとしてＮｄ：ＹＡＧレーザーを用い、波長
変換素子等を用いて波長変換することによって（例え
ば、その第５高調波を利用することによって）、パルス
励起または連続励起可能であって発振強度の大きな紫外
線レーザー光発生装置を構成できる。

【００３５】また、前記励起光を前記レーザー媒質に対
して２以上の方向から照射するように構成することが望
ましい。例えば、詳しくは後述するが、図１に示すよう
に、側面方向及び上部方向の２方向から励起光をレーザ
ー媒質に照射してもよいし、この他、両側面方向及び上
部方向からの励起光照射（３方向からの照射）、両側面
方向及び上下方向からの励起光照射（４方向からの照
射）等、任意の方向から励起光をレーザー媒質に照射で
きる。

【００３６】このように、種々の方向から励起光を供給
することによって、前記レーザー媒質にて発生するレー
ザー光のレーザーパワー（レーザー出力）を大きく向上
させることができると同時に、レーザー媒質における温
度分布の不均一性を低減できる。

【００３７】また、前記励起光源として半導体レーザー
アレイ及び／又は半導体レーザースタックが用いられて
おり、複数の半導体レーザーからの各励起光がそれぞれ
の導波路によって前記レーザー媒質の長さ方向及び／又
は径方向に平行に入射されることが望ましい。

【００３８】即ち、前記励起光源の数は特に限定される
ものではなく、例えば図１に示すように、半導体レーザ
ー（半導体レーザーアレイ、半導体レーザースタックを
含む）をレーザー媒質の長さ方向に並列に２つ並べた如
き構成であってよい。或いは、１つのみの半導体レーザ
ーであってもよいし、３つ以上の半導体レーザーを並列
に並べてもよい。特に、複数の半導体レーザーからの励
起光をレーザー媒質に照射させることによって、レーザ
ー媒質からより強度の大きなレーザー光を出射できるよ
うになる。

【００３９】また、励起光の強度分布がレーザー媒質内
で一様になるように、前記励起光の光路上に（特に、前
記レーザー媒質の光入射側に）、スリガラス等の散乱素
子が配されていることが望ましい。

【００４０】さらに、前記励起光源に対する共役点又は
その付近に前記レーザー媒質が配されていることが望ま
しい。これによって、効率よく励起光をレーザー媒質に
導くことができる。

【００４１】また、前記レーザー媒質において、前記励
起光が照射される側とは反対側に、金属又は誘電体から
なる反射膜が設けられていることが望ましい。この反射
膜は、例えば、金属又は誘電体膜をコーティングするこ
とによって設けられ、これによってレーザー媒質におけ
る前記励起光の強度分布、温度分布の更なる均一化が図
られる。

【００４２】次に、本発明の第２のレーザー光発生装置
を説明する。

【００４３】本発明の第２のレーザー光発生装置に用い
るウエッジ型導波路の形状は、上述したものと同様に、
ウエッジ角（弧度）をｗ、励起光入射口の幅をａ、励起
光出射口の幅をｈ、長さをＬとすると、下記式１、式２
及び式３が成立するように、前記ｗ、前記ａ、前記ｈ及
び前記Ｌが設定されていることが望ましい。 ａ＜ｈ・・・式１ ２ｄｔａｎ（２ｑ）≦ａ≦２ｄｔａｎ（３ｑ）・・・式２ ａ＋ｗＬ≦Ｄ・・・式３ 〔但し、前記式１、前記式２及び前記式３において、ｄ
は、励起光源からウエッジ型導波路までの距離、ｑは、
励起光源から出射される励起光の発散角（半値半角）、
Ｄは、レーザー媒質の径である。〕

【００４４】上述した理由と同様に、このようなウエッ
ジ型導波路にて前記励起光を導くことによって、前記励
起光源から出射された励起光を十分にウエッジ型導波路
に入射させることができ、さらに、ウエッジ型導波路内
での空間的な多重折り返しによる励起光の均一化が達成
できると同時に、レーザー媒質に対して、（疑似）コリ
メーションによる効率良い励起光の供給を実現できる。

【００４５】また、前記励起光源として、半導体レーザ
ー、半導体レーザーアレイ及び半導体レーザースタック
からなる群より選ばれる少なくとも１種の半導体レーザ
ーが用いられていることが望ましい。

【００４６】また、前記レーザー媒質として固体レーザ
ー媒質が用いられていることが望ましい。例えば、この
固体レーザーとしてＮｄ：ＹＡＧレーザーを用い、波長
変換素子等を用いて波長変換することによって（例え
ば、その第５高調波を利用することによって）、パルス
励起または連続励起可能であって発振強度の大きな紫外
線レーザー発生装置を構成できる。

【００４７】また、前記励起光を前記レーザー媒質に対
して２以上の方向から照射するように構成することが望
ましい。例えば、詳しくは後述するが、図１に示すよう
に、側面方向及び上部方向の２方向から励起光をレーザ
ー媒質に照射してもよいし、この他、両側面方向及び上
部方向からの励起光照射（３方向からの照射）、両側面
方向及び上下方向からの励起光照射（４方向からの照
射）等、任意の方向から励起光をレーザー媒質に照射で
きる。

【００４８】このように、種々の方向から励起光を供給
することによって、前記レーザー媒質にて発生するレー
ザー光のレーザーパワー（レーザー出力）を大きく向上
させることができると同時に、レーザー媒質における温
度分布の不均一性を低減できる。

【００４９】また、前記励起光源として半導体レーザー
アレイ及び／又は半導体レーザースタックが用いられて
おり、複数の半導体レーザーからの各励起光がそれぞれ
の導波路によって前記レーザー媒質の長さ方向及び／又
は径方向に平行に入射されることが望ましい。

【００５０】即ち、前記励起光源の数は特に限定される
ものではなく、例えば図１に示すように、半導体レーザ
ー（半導体レーザーアレイ、半導体レーザースタックを
含む）をレーザー媒質の長さ方向に並列に２つ並べた如
き構成であってよい。或いは、１つのみの半導体レーザ
ーであってもよいし、３つ以上の半導体レーザーを並列
に並べてもよい。特に、複数の半導体レーザーからの励
起光をレーザー媒質に照射させることによって、レーザ
ー媒質からより強度の大きなレーザー光を出射できるよ
うになる。

【００５１】また、励起光の強度分布がレーザー媒質内
で一様になるように、前記励起光の光路上に（特に、前
記レーザー媒質の光入射側に）、スリガラス等の散乱素
子が配されていることが望ましい。

【００５２】さらに、前記励起光の像に対する共役点又
はその付近に前記レーザー媒質が配されていることが望
ましい。これによって、効率よく励起光をレーザー媒質
に導くことができる。

【００５３】また、前記レーザー媒質において、前記励
起光が照射される側とは反対側に、金属又は誘電体から
なる反射膜が設けられていることが望ましい。この反射
膜は、例えば、金属又は誘電体膜をコーティングするこ
とによって設けられ、これによってレーザー媒質におけ
る前記励起光の強度分布、温度分布の更なる均一化が図
られる。

【００５４】次に、本発明の第１のレーザー光発生装
置、および本発明の第２のレーザー光発生装置に基づく
好ましい実施の形態（励起モジュールの構成例）を図１
を参照に説明する。

【００５５】図１に示すレーザー光発生装置は、共通の
基板上に励起光源とレーザー媒質とを有し、かつ、これ
らが熱的分離状態とされている上に、さらに、導波路と
して上述したウエッジ型導波路を用い、上部方向及び側
面方向の２方向から励起光をレーザー媒質に供給する装
置である。

【００５６】このレーザー光発生装置においては、共通
の基板１の同一面上に、励起光源としての４つの半導体
レーザー（又は、半導体レーザーアレイ、半導体レーザ
ースタック）と、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザーロッドか
らなるレーザー媒質２とを有している。これらの４つの
半導体レーザーはヒートシンク６及び断熱材１３を介し
て基板１上に固定されており、同様に、レーザー媒質２
は電子冷却器３を介して基板１上に固定されている。

【００５７】さらに詳しくは、内部に冷却水循環用パイ
プ８が設けられているヒートシンク６の上部面側に半導
体レーザー４及び５、このヒートシンク６の下部面側に
半導体レーザー１１及び図示しない半導体レーザーが励
起光源として固定されており、これらの励起光源は、レ
ーザー媒質２と熱的分離状態となるように、ヒートシン
ク６と断熱材１３とを介して基板１上に固定されてい
る。また、基板１にも冷却水循環用パイプ７が配されて
おり、励起光源とレーザー媒質とが熱的分離状態となさ
れている。

【００５８】従って、半導体レーザー４、５、１１及び
図示しない半導体レーザーからなる励起光源は、水冷に
よって一定温度に保たれており、また、レーザー媒質２
は、サーミスタや熱電対等の電子冷却器３によって、一
定温度に保たれている。即ち、励起光源とレーザー媒質
とは、互いに熱的分離状態となされている。このように
熱的分離状態とされているので、前記励起光源にて発生
する熱や前記レーザー媒質にて発生する熱の変動による
レーザー光の発振出力や発振周波数への影響を最小限に
抑えることができる。

【００５９】また、４つの半導体レーザーから出射され
る励起光（レーザー光）は、ウエッジ型導波路９及び１
０によって導かれ、レーザー媒質２に照射されるように
構成されている。ここで、ヒートシンク６の上部面側に
設けられている半導体レーザー４及び５からの励起光
は、ウエッジ型導波路９によって導かれており、ヒート
シンク６の下部側に設けられている半導体レーザー１１
及び図示しない半導体レーザーからの励起光は、ウエッ
ジ型導波路１０によって導かれている。

【００６０】但し、ウエッジ型導波路１０によって導か
れた励起光は、直接にレーザー媒質の側面部に供給され
る一方、ウエッジ型導波路９によって導かれた励起光
は、ウエッジ型導波路９の終端部に設けられているミラ
ー１２によって（又は全反射面とすることによって）、
レーザー媒質の上面部に供給されるように構成されてい
る。

【００６１】次に、図１に示したレーザー光発生装置
（励起モジュール）の動作を説明する。

【００６２】図示省略した電力供給源から供給される所
定電力によって、半導体レーザー４、５、１１及び図示
しない半導体レーザーから、励起光（レーザー光）１４
が出射される。そして、この励起光１４は、ガラス、石
英、誘電体、高分子等の光を導波する固体からなるウエ
ッジ型導波路に導入する。

【００６３】ここで、特に、半導体レーザーからのレー
ザー光は、その活性層を含む平面内に偏光しており、こ
の面内での発散角が小さく、光量分布は多少の変動はあ
るもののほぼ一様である。一方、活性層を含む平面に垂
直な面内ではほぼガウス型の分布をしており、発散角が
大きい。従って、図１に示すように、４つの半導体レー
ザーのそれぞれの活性層を含む平面に垂直な面に関して
くさび型を有するようにウエッジ型導波路９及び１０を
配置することで、均一化及びコリメートされた励起光１
４を効率良くレーザー媒質２に導くことができる。

【００６４】そして、ウエッジ型導波路９及び１０に入
射した励起光は、一部は直進し、一部は全反射を繰り返
して重なった形で、励起光源像を共役点又はその近傍に
配されたレーザー媒質２に十分な入射面積で入射する。

【００６５】即ち、ウエッジ型導波路１０では、直接に
レーザー媒質２の一側面のほぼ全域（ほぼ１８０度の角
度範囲）に励起光が照射される一方、ウエッジ型導波路
９は、その終端を例えば全反射ミラー（又は全反射面）
１２としているので、レーザー媒質２の上面のほぼ全域
（ほぼ１８０度の角度範囲）に励起光が照射される。従
って、２つの励起レーザー光が十分な照射量で効率良く
レーザー媒質に入射するうえに、互いに中心角度約９０
度でレーザー媒質に供給されるため、誘起される熱複屈
折率は所望の方向に生起される。また、各ウエッジ型導
波路内で強度分布が均一となり、コリメートされた励起
光が導かれるので、レーザー媒質における温度分布が減
少して、収差が少なく、損失の小さいレーザー光が得ら
れる。また、レーザー媒質において励起光が照射された
側とは反対側に、図１（Ｂ）の一点鎖線の如く、金属や
誘電体等からなる反射コート２４を施すことによって、
前記レーザー媒質における前記励起光の強度分布、温度
分布の更なる均一化が達成される。

【００６６】また、励起光源としての半導体レーザー
と、レーザー光を発振するレーザー媒質２と、ウエッジ
型導波路９及び１０とは、基体１の同一面上に固定され
ているので、振動により励起光の入射位置が移動する等
の影響が少なくなり、外部や内部からの振動に対して強
くなる。また、ウエッジ型導波路９及び１０の長さを適
当な長さにすることによって、レーザー媒質２に入射す
る励起光としてのレーザー光の均一化が容易に行われる
ようになる。

【００６７】さらに、一般に、半導体レーザーからのレ
ーザー光は、発散角、ヤブ、光量分布にばらつきがあ
り、また、機械精度や配置精度の範囲で位置がずれるこ
とがあるので、上述した如くに励起光としてのレーザー
光を均一化しやすい構造にすることで、励起光源の交換
時の互換性等に優れることになる。即ち、本実施の形態
に基づくレーザー光発生装置は、その位置合わせ等が容
易であり、また、比較的安価かつ容易に実現される。

【００６８】特に、図１に示したレーザー光発生装置に
よれば、励起光源としての半導体レーザーとレーザー媒
質とが互いに熱的分離状態とされているので、励起光源
における発熱等によるレーザー光の発振周波数や発振強
度に対する影響が最小限に抑えられ、信頼性が高く、安
定性に優れたレーザー光が得られる。

【００６９】また、用途によっては、特に発振波長の高
い安定性が要求されることがあり、この場合、電子冷却
器３（例えば、熱電素子）と図示省略した温度検出手段
（例えば、熱電対、サーミスタ、測温抵抗体など）とを
用いて、レーザー媒質２の温度を一定に保つことができ
る。

【００７０】次に、ウエッジ型導波路を基板上に固定す
るための支持部材を示した励起モジュールの一例を図４
に示す。

【００７１】図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すレーザー光発
生装置は、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示した装置における
ウエッジ型導波路９及び１０の固定手段を示すものであ
る。

【００７２】即ち、ウエッジ型導波路９及び１０は、基
板１に固定して設けられた支持部材２３によって基板１
上に固定されている。具体的には、ウエッジ型導波路９
及び１０は、その側面において支持部材２３に挟持され
ている。このように、半導体レーザーから出射された励
起用レーザー光の光路（又は全反射面）から離れた位置
でウエッジ型導波路９及び１０が固定されるのが望まし
い。仮に、ウエッジ型導波路９及び１０の特に中央部の
全反射部で、それらの間に間隔保持手段を挿入して上下
位置を固定すると、励起光が全反射部から漏れ出してき
て、効率の低下や固定部の損傷につながる可能性がある
が、このような問題は、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示した
ように、ウエッジ型導波路内の励起光の光路とは離れた
位置に支持部材に設けることによって解消できる。但
し、全反射部を避けた位置に間隔保持手段（図示せず）
を保持部材２３と一体に設けることは差し支えない。

【００７３】次に、図１及び図４に示したレーザー光発
生装置を構成する部材について説明する。

【００７４】まず、断熱材１３及び支持部材２３として
は、一般的にセラミック、ガラスの熱伝導率が低く、断
熱材、支持部材（固定材）として有効である。一方、Ｎ
ＡＳＡで使用されたゲル状の断熱材や、気泡を多く含む
グラスウール、発泡スチロール等の断熱材は断熱性能は
高いが固定材としてはセラミックやガラスに対してやや
劣る。図１及び図４に示した断熱材１３は前者の断熱か
つ支持固定材として図示したものである。図示していな
いが、後者の範疇においても、脱ガス、廃塵、液体の滲
み出し等が無いものであれば、断熱遮蔽材として、対
流、輻射による熱の拡散を防ぐことができるため、使用
の利点がある。また、断熱ではないが遮蔽材としては、
アルミホイルや銅の薄板等を用いることも可能である。
理科年表によれば、常温付近での熱伝導定数〔単位：Ｗ
／（Ｋｍ）〕の概略値は、下記表１のようになる。な
お、この表中の（多孔質）アルミナ、ステアタイト、フ
ォルステライト等はセラミックと呼ばれ、熱伝導率が低
く断熱材として使われるものと、逆に絶縁材で熱伝導率
の良い材料として使われるものなどのタイプがある。こ
のほか、マコール（商品名）と呼ばれるマシナブルセラ
ミックスも低熱伝導率〔１．７Ｗ／（Ｋｍ）〕の断熱材
として多用されるものの１つである。

【００７５】

【００７６】次に、基板１としては、熱はけを良くする
ため、熱伝導性の良い材料が適している。アルミニウ
ム、銅は熱伝導率に優れているほか、価格、加工性に優
れ、基板として適した材料の代表格である。更なる剛
性、耐熱性、絶縁性が問題になるときは、窒化アルミ等
の高熱伝導セラミック等を用いることも有効である。ま
た、どうしても低熱膨張が重要な場合は、熱伝導は良く
ないが、スーパーインバー（商品名）や低膨張ガラスの
ゼロデュア（商品名）等を用いる必要がある場合も考え
られる。

【００７７】また、前記断熱材や前記支持部材は、固定
と防震とが両立する材料であれば、積極的に利用するこ
とが望ましい。但し、防震材において、自身が伸縮して
減衰振動をすることによって振動エネルギーを吸収する
等の防震作用がある場合、伸縮により物体間の相対位置
が変化する可能性があり、これはレーザー出力の変化等
をもたらす危険性がある。また、基板の下に防震材料を
薄く挟んだり、装置全体を除震台にのせること等によっ
て防震性を向上させることが望ましい。

【００７８】また、図１及び図４に示すように、冷却水
パイプ７及び８の位置は、半導体レーザーが主たる熱源
であることを考慮すると、半導体レーザー側に偏よって
配置してもよい。例えば、半導体レーザーへの投入電力
に対する光の変換効率は最大でも４０％であり、残りは
熱となる。例えば、出力２０Ｗの半導体レーザーバーは
投入電力約５０Ｗに対しておおよそ３０Ｗ（以上）の排
熱が必要となる。この出力レーザー光２０Ｗがすべて固
体レーザーの排熱になることはないが、仮にそうなった
としても最大２０Ｗであり、主たる熱源は半導体レーザ
ーであると言える。従って、図示した如き構成にするこ
とによって、半導体レーザーの発熱を効率良く排熱し、
また、他の部分になるべく伝わらないようにすることが
できる。なお、レーザー媒質の発熱が大きいときは、双
方の付近に複数の排熱用冷却装置を取り付けることが望
ましい。波長の安定化などを目的として電子冷却器を利
用する場合、電子冷却器の効率が低いために、レーザー
媒質で発生する熱の数倍の排熱が必要になることもあ
る。このときは、レーザー媒質側にも冷却パイプ等を設
ければよい。

【００７９】以上、本発明を好ましい実施の形態につい
て説明したが、本発明は、この実施の形態例に限定され
るものではない。

【００８０】例えば、前記励起光源として、半導体レー
ザーアレイや半導体レーザースタック等の半導体レーザ
ーの他にも、例えば、発光ダイオード、ランプなど、種
々の発光素子を励起光源としてもよい。また、半導体レ
ーザー等の種類についても特に限定されるものではな
い。また、前記基板を半導体レーザー用とレーザー媒質
用とに分け、これら両基板をビス等で互いに一体化し
て、上述した共通の基板としてもよい。

【００８１】また、前記レーザー媒質としては、ネオジ
ムイオンをイットリウム・アルミニウム・ガリウムから
なる結晶にドープしたＮｄ：ＹＡＧレーザーの他にも、
ネオジムイオンをイットリウム・リチウム・フッ素から
なる結晶にドープしたＮｄ：ＹＬＦレーザー等の固体レ
ーザーを使用してもよいし、その他、半導体レーザー等
の励起光源を利用するレーザーであれば、他の固体レー
ザー、気体レーザー、色素レーザーなど、種々のレーザ
ー媒質を用いることができる。

【００８２】また、半導体レーザーから出射される励起
光の光路上であって、レーザー媒質の光入射側（特に、
ウエッジ型導波路とレーザー媒質との間）に、反射型又
は透過型の散乱素子が配されていてもよく、これによっ
て、レーザー媒質に供給される励起光の分布がさらに一
様になる。

【００８３】また、前記励起光源から供給される前記励
起光によって前記レーザー媒質（レーザー媒質Ａとす
る）にて発生するレーザー光を、励起光として他のレー
ザー媒質（レーザー媒質Ｂとする）に入射するような場
合、本発明の特徴的構成に基づいて、レーザー媒質Ａと
レーザー媒質Ｂとを同一基体上に配し、かつ、レーザー
媒質Ａとレーザー媒質Ｂとを熱的分離状態とすることも
できる。また、レーザー媒質Ａとレーザー媒質Ｂとの間
のレーザー光の光路を前記ウエッジ型導波路で構成して
もよい。

【００８４】

【発明の作用効果】本発明の第１のレーザー光発生装置
によれば、励起光を出射する励起光源と、この励起光に
よって励起され、レーザー光を発生するレーザー媒質と
を有するレーザー光発生装置において、前記励起光源と
前記レーザー媒質とが一体の基体上に配されており、か
つ、前記励起光源と前記レーザー媒質とが熱的に分離状
態とされているので、振動や温度変化等の外的な影響に
よるノイズの混入を防ぐことができると同時に、前記励
起光源にて発生する熱の変動によるレーザー光の発振出
力や発振周波数への影響を最小限に抑えることができ、
従って、これらの特性の安定性に優れ、信頼性の高いレ
ーザー光が得られる。

【００８５】本発明の第２のレーザー光発生装置によれ
ば、励起光を出射する励起光源と、前記励起光を導くウ
エッジ型導波路と、前記ウエッジ型導波路で導かれた励
起光によって励起され、レーザー光を発生するレーザー
媒質とを有するレーザー光発生装置において、前記励起
光源と前記ウエッジ型導波路と前記レーザー媒質とが一
体の基体上に配されているので、振動、温度変化、移動
等の外的な影響によって伝送モードが変動し、ノイズの
混入が最小限に抑えられると同時に、前記ウエッジ型導
波路にて励起光の均一化及びコリメーションが行われて
励起光が効率よく前記レーザー媒質に導かれるので、発
振出力や発振波長の安定性に優れ、信頼性の高いレーザ
ー光が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づくレーザー光発生装置の実施の形
態例の概略上面図（Ａ）、その概略側面図（Ｂ）であ
る。

【図２】同、レーザー光発生装置に用いるウエッジ型導
波路の構成例を示す要部概略図である。

【図３】半導体レーザーから出射されるレーザー光の発
散角と強度との関係を示すグラフである。

【図４】本発明に基づきウエッジ型導波路の支持部材を
有するレーザー光発生装置の概略上面図（Ａ）、その側
面図（Ｂ）である。

【符号の説明】

１…基板、２、２２…レーザー媒質、３…電子冷却器、
４、５、１１、２０…半導体レーザー、６…ヒートシン
ク、７、８…冷却水用パイプ、９、１０、２１…ウエッ
ジ型導波路、１２…ミラー、１３…断熱材、１４…励起
光、１５…レーザー光、２３…支持部材、２４…反射膜

Claims (26)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 励起光を出射する励起光源と、この励起
   光によって励起され、レーザー光を発生するレーザー媒
   質とを有するレーザー光発生装置において、 前記励起光源と前記レーザー媒質とが一体の基体上に配
   されており、かつ、前記励起光源と前記レーザー媒質と
   が熱的に分離状態とされていることを特徴とする、レー
   ザー光発生装置。
2. 【請求項２】 前記熱的分離状態によって、前記励起光
   源及び前記レーザー媒質がそれぞれ一定温度に保たれて
   いる、請求項１に記載したレーザー光発生装置。
3. 【請求項３】 前記励起光源が水冷及び／又は空冷によ
   って一定温度に保たれており、前記レーザー媒質が電子
   冷却器を用いることによって一定温度に保たれている、
   請求項２に記載したレーザー光発生装置。
4. 【請求項４】 前記基体中に冷却管が配されている、請
   求項１に記載したレーザー光発生装置。
5. 【請求項５】 前記励起光源と前記レーザー媒質とが前
   記基体の同一面上に配されており、前記励起光源と前記
   レーザー媒質との少なくとも一方と、前記基体との間に
   ヒートシンクが設けられている、請求項１に記載したレ
   ーザー光発生装置。
6. 【請求項６】 前記ヒートシンク中に冷却管が配されて
   いる、請求項５に記載したレーザー光発生装置。
7. 【請求項７】 前記励起光源と前記レーザー媒質とが前
   記基体の同一面上に配されており、前記励起光源と前記
   レーザー媒質との少なくとも一方と、前記基体との間に
   断熱材が設けられている、請求項１に記載したレーザー
   光発生装置。
8. 【請求項８】 前記励起光源と前記レーザー媒質との間
   に、前記励起光を導く導波路が形成されている、請求項
   １に記載したレーザー光発生装置。
9. 【請求項９】 前記導波路が、平行平板型導波路、ウエ
   ッジ型導波路、円筒型導波路又は楕円筒型導波路によっ
   て構成されている、請求項８に記載したレーザー光発生
   装置。
10. 【請求項１０】 前記ウエッジ型導波路におけるウエッ
    ジ角（弧度）をｗ、励起光入射口の幅をａ、励起光出射
    口の幅をｈ、長さをＬとすると、下記式１、式２及び式
    ３が成立するように、前記ｗ、前記ａ、前記ｈ及び前記
    Ｌが設定されている、請求項９に記載したレーザー光発
    生装置。 ａ＜ｈ・・・式１ ２ｄ・ｔａｎ（２ｑ）≦ａ≦２ｄ・ｔａｎ（３ｑ）・・・式２ ａ＋ｗＬ≦Ｄ・・・式３ 〔但し、前記式１、前記式２及び前記式３において、ｄ
    は、励起光源からウエッジ型導波路までの距離、ｑは、
    励起光源から出射される励起光の発散角（半値半角）、
    Ｄは、レーザー媒質の径である。〕
11. 【請求項１１】 前記励起光源として、半導体レーザ
    ー、半導体レーザーアレイ及び半導体レーザースタック
    からなる群より選ばれる少なくとも１種の半導体レーザ
    ーが用いられている、請求項１に記載したレーザー光発
    生装置。
12. 【請求項１２】 前記レーザー媒質として固体レーザー
    媒質が用いられている、請求項１に記載したレーザー光
    発生装置。
13. 【請求項１３】 前記レーザー媒質に対して、前記励起
    光が２以上の方向から照射されている、請求項１に記載
    したレーザー光発生装置。
14. 【請求項１４】 前記励起光源として半導体レーザーア
    レイ及び／又は半導体レーザースタックが用いられてお
    り、複数の半導体レーザーからの各励起光がそれぞれの
    導波路によって前記レーザー媒質の長さ方向及び／又は
    径方向に平行に入射される、請求項１に記載したレーザ
    ー光発生装置。
15. 【請求項１５】 前記励起光の光路上において、前記レ
    ーザー媒質の光入射側に散乱素子が配されている、請求
    項１に記載したレーザー光発生装置。
16. 【請求項１６】 前記励起光源に対する共役点又はその
    付近に前記レーザー媒質が配されている、請求項１に記
    載したレーザー光発生装置。
17. 【請求項１７】 前記レーザー媒質の側面において前記
    励起光が照射される側とは反対側に、金属又は誘電体か
    らなる反射膜が設けられている、請求項１に記載したレ
    ーザー光発生装置。
18. 【請求項１８】 励起光を出射する励起光源と、前記励
    起光を導くウエッジ型導波路と、前記ウエッジ型導波路
    で導かれた励起光によって励起され、レーザー光を発生
    するレーザー媒質とを有するレーザー光発生装置におい
    て、 前記励起光源と前記ウエッジ型導波路と前記レーザー媒
    質とが一体の基体上に配されていることを特徴とする、
    レーザー光発生装置。
19. 【請求項１９】 前記ウエッジ型導波路におけるウエッ
    ジ角（弧度）をｗ、励起光入射口の幅をａ、励起光出射
    口の幅をｈ、長さをＬとすると、下記式１、式２及び式
    ３が成立するように、前記ｗ、前記ａ、前記ｈ及び前記
    Ｌが設定されている、請求項１８に記載したレーザー光
    発生装置。 ａ＜ｈ・・・式１ ２ｄ・ｔａｎ（２ｑ）≦ａ≦２ｄ・ｔａｎ（３ｑ）・・・式２ ａ＋ｗＬ≦Ｄ・・・式３ 〔但し、前記式１、前記式２及び前記式３において、ｄ
    は、励起光源からウエッジ型導波路までの距離、ｑは、
    励起光源から出射される励起光の発散角（半値半角）、
    Ｄは、レーザー媒質の径である。〕
20. 【請求項２０】 前記励起光源として、半導体レーザ
    ー、半導体レーザーアレイ及び半導体レーザースタック
    からなる群より選ばれる少なくとも１種の半導体レーザ
    ーが用いられている、請求項１８に記載したレーザー光
    発生装置。
21. 【請求項２１】 前記レーザー媒質として固体レーザー
    媒質が用いられている、請求項１８に記載したレーザー
    光発生装置。
22. 【請求項２２】 前記レーザー媒質に対して、前記励起
    光が２以上の方向から照射されている、請求項１８に記
    載したレーザー光発生装置。
23. 【請求項２３】 前記励起光源として半導体レーザーア
    レイ及び／又は半導体レーザースタックが用いられてお
    り、複数の半導体レーザーからの各励起光がそれぞれの
    導波路によって前記レーザー媒質の長さ方向及び／又は
    径方向に平行に入射される、請求項１８に記載したレー
    ザー光発生装置。
24. 【請求項２４】 前記励起光の光路上において、前記レ
    ーザー媒質の光入射側に散乱素子が配されている、請求
    項１８に記載したレーザー光発生装置。
25. 【請求項２５】 前記励起光源に対する共役点又はその
    付近に前記レーザー媒質が配されている、請求項１８に
    記載したレーザー光発生装置。
26. 【請求項２６】 前記レーザー媒質の側面において前記
    励起光が照射される側とは反対側に、金属又は誘電体か
    らなる反射膜が設けられている、請求項１８に記載した
    レーザー光発生装置。